Simulação tridimensional de um motor híbrido tipo Slab Burner, em regime permanente

Abstract

Este trabalho apresenta uma investigação numérica do escoamento reativo no interior de um motor-foguete híbrido do tipo slab burner, desenvolvido pelo Chemical Propul- sion Laboratory (CPL) da Universidade de Brasília. As simulações foram conduzidas no ANSYS Fluent, empregando modelos bidimensionais e tridimensionais em regime perma- nente para analisar a influência da geometria, da modelagem da regressão do combustível e das condições operacionais sobre o comportamento do escoamento e da combustão. Inicialmente, foram realizadas simulações bidimensionais utilizando duas geometrias dis- tintas, com e sem um degrau localizado após a seção convergente, permitindo avaliar a in- fluência dessa descontinuidade sobre o escoamento interno. Adicionalmente, compararam- se duas estratégias para representar a regressão do combustível: uma modelagem simpli- ficada baseada na injeção de combustível gasoso e outra empregando os modelos Discrete Phase Model (DPM) e Wall-Film. Os resultados mostraram que o degrau promove alte- rações locais no escoamento, aumentando a intensidade turbulenta e induzindo regiões de recirculação, sem provocar modificações significativas nos campos globais de temperatura, pressão e fração de mistura. A modelagem com DPM e Wall-Film resultou em uma chama mais compacta e em velocidades máximas menores quando comparada à abordagem ba- seada em injeção gasosa. Posteriormente, a metodologia foi estendida para modelos tridimensionais, nos quais fo- ram simuladas nove condições operacionais distintas, correspondentes a diferentes vazões mássicasdeoxidanteediferentescomposiçõesdocombustível(parafinapura,5%deLDPE e 10% de LDPE). As simulações evidenciaram que o aumento da vazão de oxidante eleva a velocidade média dos gases na saída do motor e modifica significativamente o campo de pressão, enquanto as menores vazões conduzem a temperaturas médias de exaustão mais altas. Em todos os casos, as malhas apresentaram valores de 𝑦+ inferiores à unidade e as soluções obtidas apresentaram convergência numérica adequada. Os resultados obtidos demonstram que a metodologia desenvolvida foi capaz de represen- tar de forma consistente os principais fenômenos físicos observados em motores híbridos do tipo slab burner, constituindo uma ferramenta útil para a investigação do escoamento interno e para a análise da influência de modificações geométricas e de condições opera- cionais sobre o processo de combustão.